KR102336716B1 - 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나 - Google Patents

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육종관
김동호
전영근
윤광로
김종영
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국방과학연구소
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Abstract

부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나는 제1 방향으로 편파된 전파를 방사하는 방사체, 및 상기 방사체와 일정 거리 이격되어 배치되어 상기 방사체로부터 진행되어 오는 전파를 부분적으로 투과 및 반사하는 부분 반사 표면을 포함하고, 상기 부분 반사 표면은, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장된 복수의 라인 형태의 제1 도전 패턴을 포함하는 제1 도전층, 상기 제2 방향에서 평면상으로 -45도 기울어진 슬릿을 형성하는 제2 도전 패턴을 포함하는 제2 도전층, 및 단위 셀에 대응하는 제3 도전 패턴, 상기 제3 도전 패턴에 상기 제1 방향으로 연결되어 있는 제1 PIN 다이오드 및 상기 제3 도전 패턴에 상기 제2 방향으로 연결되어 있는 제2 PIN 다이오드를 포함하는 제3 도전층을 한다.

Description

부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나{POLARIZATION RECONFIGURABLE HIGH GAIN ANTENNA BASED ON PARTIALLY REFLECTIVE SURFACE}
본 발명은 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나에 관한 것이다.
주파수에 따라 특성이 변화하는 부분 반사 표면인 상판과 접지면으로 이루어진 안테나는 두 구조물 사이에서 전파의 다중 반사를 이용하여 간단한 구조로도 높은 이득을 낼 수 있는 장점으로 무선 통신 분야에서 주목을 받고 있다.
전파의 편파 변환 기술은 무선 통신에서 채널 용량을 증가시키고 채널 간섭을 완화시킬 수 있는 장점으로 무선 통신 분야에서 주목을 받고 있다.
안테나의 편파를 변환하는 종래의 방법 중 가장 일반적인 방법은 다이오드를 이용하여 급전 소자의 편파를 변환하는 것이다. 그러나 이러한 방법은 고출력 안테나에 적용되지 못한다는 문제가 있다. 이에 따라 주파수에 따라 특성이 변화하는 표면을 이용하여 편파를 변환시키는 기술이 연구되고 있다. 주파수에 따라 특성이 변화하며 편파 변환이 가능한 부분 반사 표면을 상판으로 사용하여 안테나를 설계할 경우, 편파 변환 성능, 방사 성능, 그리고 임피던스 정합 특성이 모두 악화되는 문제가 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 제한된 공간에서 단일 급전 소자로 안테나의 이득을 크게 향상시킬 수 있고 방사되는 전파의 편파를 다양한 각도로 변환할 수 있는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나는 제1 방향으로 편파된 전파를 방사하는 방사체, 및 상기 방사체와 일정 거리 이격되어 배치되어 상기 방사체로부터 진행되어 오는 전파를 부분적으로 투과 및 반사하는 부분 반사 표면을 포함하고, 상기 부분 반사 표면은, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장된 복수의 라인 형태의 제1 도전 패턴을 포함하는 제1 도전층, 상기 제2 방향에서 평면상으로 -45도 기울어진 슬릿을 형성하는 제2 도전 패턴을 포함하는 제2 도전층, 및 단위 셀에 대응하는 제3 도전 패턴, 상기 제3 도전 패턴에 상기 제1 방향으로 연결되어 있는 제1 PIN 다이오드 및 상기 제3 도전 패턴에 상기 제2 방향으로 연결되어 있는 제2 PIN 다이오드를 포함하는 제3 도전층을 한다.
상기 방사체는, 제1 유전체 기판, 상기 제1 유전체 기판 위에 배치되는 방사부, 상기 제1 유전체 기판의 아래에 배치되는 접지면, 및 상기 제1 유전체 기판을 관통하여 상기 방사부와 상기 접지면을 전기적으로 연결시키는 동축선을 포함할 수 있다.
상기 방사부는 상기 제1 유전체 기판보다 작은 크기를 가지며 상기 제1 유전체 기판의 중앙에 배치될 수 있다.
상기 제1 도전층은 상기 방사체로부터 방사되는 상기 제1 방향으로 편파된 전파만을 투과시킬 수 있다.
상기 방사체와 상기 제1 도전층 사이에는 상기 제1 방향으로 편파된 전파만이 존재하여 다중 반사하여 고이득 빔을 형성할 수 있다.
상기 제2 도전층은 상기 제1 도전층을 투과한 전파를 상기 제1 방향으로부터 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
상기 제2 도전층은 상기 제1 도전층을 투과한 전파를 상기 제1 방향으로부터 음의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환하여 반사시킬 수 있다.
상기 제1 PIN 다이오드는 상기 제3 도전 패턴을 상기 제1 방향으로 인접한 다른 단위 셀의 제3 도전 패턴에 전기적으로 연결시키고, 상기 제2 PIN 다이오드는 상기 제3 도전 패턴을 상기 제2 방향으로 인접한 또 다른 단위 셀의 제3 도전 패턴에 전기적으로 연결시킬 수 있다.
상기 제1 PIN 다이오드를 온 시키면 상기 제3 도전층은 상기 제2 도전층을 투과한 전파를 상기 제2 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
상기 제2 PIN 다이오드를 온 시키면 상기 제3 도전층은 상기 제2 도전층을 투과한 전파를 상기 제1 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
상기 제1 PIN 다이오드와 상기 제2 PIN 다이오드가 모두 오프 상태인 경우, 상기 제3 도전층은 상기 제2 도전층을 투과한 전파를 상기 제1 방향으로부터 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
상기 부분 반사 표면은, 상기 제1 도전층과 상기 제2 도전층이 형성되는 제2 유전체 기판, 및 상기 제3 도전층이 형성되는 제3 유전체 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전층은 상기 방사체를 마주보는 면인 상기 제2 유전체 기판의 아랫면에 형성되고, 상기 제2 도전층은 상기 제2 유전체 기판의 윗면에 형성되고, 상기 제3 도전층은 상기 제3 유전체 기판의 윗면에 형성될 수 있다.
상기 제2 유전체 기판과 상기 제3 유전체 기판은 일정 거리 이격되어 있을 수 있다.
상기 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나는 상기 제3 도전 패턴이 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 배열된 단위 셀 어레이 가장자리에 배치되어 상기 제1 PIN 다이오드 또는 상기 제2 PIN 다이오드의 온/오프 제어를 위한 제어 전압이 인가되는 제어 전압 버스, 상기 제어 전압 버스와 상기 제3 도전 패턴 사이에 연결되어 상기 제어 전압 버스에 유도되는 교류 전류로 인한 전파의 방사를 방지하는 인덕터, 및 상기 제어 전압 버스와 상기 제3 도전 패턴 사이에 연결되어 상기 제1 PIN 다이오드 또는 상기 제2 PIN 다이오드에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 저항을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나는, 주파수에 따라 특성이 변화하는 부분 반사 표면을 투과하는 전파들이 타겟 파면에서 동일 위상을 갖도록 함으로써 제한된 공간에서 단일 급전 소자로 안테나의 이득을 크게 향상시키고, 주파수에 따라 특성이 변화하는 부분 반사 표면에 설치된 PIN 다이오드의 동작 여부를 조절함으로써 방사되는 전파의 편파를 다양한 각도로 전기적으로 변환할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 2 및 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 방사체를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면의 제1 도전층을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면의 제2 도전층을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면의 제3 도전층을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면에서 전파의 편파를 변환시키는 원리를 나타내는 도면이다.
도 9 및 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 구동부를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x 방향으로 편파된 전파를 방사할 때의 주파수에 따른 임피던스 정합 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x축에서 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파를 방사할 때의 주파수에 따른 임피던스 정합 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 y 방향으로 편파된 전파를 방사할 때의 주파수에 따른 임피던스 정합 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 E 평면으로 도시한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 H 평면으로 도시한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x축에서 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 E 평면으로 도시한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x축에서 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 H 평면으로 도시한 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 y 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 E 평면으로 도시한 그래프이다.
도 20은 y 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 H 평면으로 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저, 도 1을 참조하여 공진을 이용하여 고이득 빔을 형성하는 개념에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나는 평면상에서 중첩하여 배치되는 방사체(100) 및 부분 반사 표면(105)으로 이루어진다. 평면상은 x 방향(제1 방향) 및 y 방향(제2 방향)에 평행한 평면상을 의미한다. y 방향은 x 방향에 수직인 방향이다. z 방향(제3 방향)은 x 방향 및 y 방향에 수직인 방향을 의미한다.
방사체(100)는 접지면(103) 상에 위치하는 방사부(102)를 포함하고, 방사부(102)는 x 방향으로 편파된 전파를 부분 반사 표면(105)을 향해 방사할 수 있다. 도 1에서는 편의상 전파의 진행 경로를 2차원으로 나타내고 있다.
부분 반사 표면(105)은 z 방향으로 방사체(100)와 일정 거리(h2) 이격되어 배치되어 있으며, 방사체(100)로부터 진행되어 오는 전파를 부분적으로 투과 및 반사시킬 수 있다.
방사부(102)는 방사체(100)의 중앙 또는 접지면(103)의 중앙에 위치할 수 있다. 방사부(102)에서 방사된 전파 중 일부는 직접적으로 부분 반사 표면(105)을 투과할 수 있으며, 이를 제1 투과파(106a)라 한다. 방사부(102)에서 방사된 전파 중 다른 일부는 부분 반사 표면(105)과 접지면(103) 사이에서 다중 반사되어 부분 반사 표면(105)을 투과할 수 있으며, 이를 제2 투과파(106b)라 한다.
제1 투과파(106a)와 제2 투과파(106b)는 타겟 파면(107)에서 동위상이 된다. 제1 투과파(106a)와 제2 투과파(106b)의 위상 차이(
Figure 112021118522400-pat00001
)는 수학식 1과 같이 설정될 수 있다.
Figure 112021118522400-pat00002
여기서,
Figure 112021118522400-pat00003
는 자유 공간에서의 위상 상수,
Figure 112021118522400-pat00004
는 접지면(103)으로부터 부분 반사 표면(105)까지의 높이,
Figure 112021118522400-pat00005
는 부분 반사 표면(105)의 반사 위상,
Figure 112021118522400-pat00006
는 접지면(103)의 반사 위상을 의미한다.
제1 투과파(106a)와 제2 투과파(106b)의 위상 차이(
Figure 112021118522400-pat00007
)가 0이 되도록 설정하여 타겟 파면(107)에서 제1 투과파(106a)와 제2 투과파(106b)가 동위상이 되도록 할 수 있다. 이에 따라, 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 이득을 향상시킬 수 있다.
도 2 및 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 방사체를 나타내는 도면이다.
도 2 및 3을 참조하면, 방사체(100)는 제1 유전체 기판(101), 방사부(102), 접지면(103) 및 동축선(104)을 포함할 수 있다.
방사부(102)는 제1 유전체 기판(101) 위에 배치되고, 제1 유전체 기판(101)보다 작은 크기를 가지며, 제1 유전체 기판(101)의 중앙에서 사각형 형태로 형성될 수 있다.
접지면(103)은 제1 유전체 기판(101)의 아래에 배치되고, 제1 유전체 기판(101)을 관통하는 동축선(104)을 통해 방사부(102)와 전기적으로 연결될 수 있다. 접지면(103)은 제1 유전체 기판(101) 전체와 중첩하는 평판 형태일 수 있다.
이하, 도 4 내지 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 부분 반사 표면(105)의 구성에 대하여 설명한다. 도 4 내지 7은 하나의 단위 셀에서의 부분 반사 표면(105)을 나타내고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면을 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면의 제1 도전층을 나타내는 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면의 제2 도전층을 나타내는 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면의 제3 도전층을 나타내는 도면이다.
도 4 내지 7을 참조하면, 부분 반사 표면(105)은 제1 도전층(109a), 제1 도전층(109a) 위에 위치하는 제2 도전층(109b) 및 제2 도전층(109b) 위에 위치하는 제3 도전층(109c)을 포함할 수 있다.
제1 도전층(109a)과 제2 도전층(109b) 사이에는 제2 유전체 기판(108a)이 위치하고, 제2 도전층(109b)과 제3 도전층(109c) 사이에는 제3 유전체 기판(108b)이 위치할 수 있다. 더욱 상세하게, 제1 도전층(109a)은 제2 유전체 기판(108a)의 아랫면(방사체(100)를 마주보는 면)에 형성되고, 제2 도전층(109b)은 제2 유전체 기판(108a)의 윗면에 형성될 수 있다. 그리고 제3 도전층(109c)은 제3 유전체 기판(108b)의 윗면에 형성될 수 있다. 제2 유전체 기판(108a)과 제3 유전체 기판(108b)은 일정 거리(h1) 이격되어 있을 수 있다.
제1 도전층(109a)은 y 방향으로 연장되는 복수의 라인 형태의 제1 도전 패턴(109a')을 포함할 수 있다. 도 5에서는 y 방향으로 연장되는 2개의 제1 도전 패턴(109a')을 예시하고 있다. 복수의 라인 형태의 제1 도전 패턴(109a') 사이에는 y 방향으로 연장된 형태의 슬릿이 형성될 수 있다. 제1 도전층(109a)은 방사체(100)로부터 방사되는 x 방향으로 편파된 전파만을 투과시킬 수 있다. 제1 도전층(109a)은 y 방향으로 편파된 전파를 반사시킬 수 있다.
제2 도전층(109b)은 y 방향에서 평면상으로 -45도 기울어진 슬릿을 형성하는 제2 도전 패턴(109b')을 포함할 수 있다. 도 6에서는 2개의 슬릿을 형성하는 제2 도전 패턴(109b')을 예시하고 있다. 제2 도전층(109b)은 제1 도전층(109a)을 투과한 전파를 x 방향으로부터 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시킬 수 있다. 제2 도전층(109b)은 제1 도전층(109a)을 투과한 전파를 x 방향으로부터 음의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환하여 반사시킬 수 있다.
제3 도전층(109c)은 제3 도전 패턴(109c'), 제1 PIN 다이오드(111a) 및 제2 PIN 다이오드(111b)를 포함할 수 있다. 제3 도전 패턴(109c')은 사각형에서 하나의 꼭짓점 부분이 작은 사각형의 형태로 절단된 형상으로 형성될 수 있다. 제1 PIN 다이오드(111a)는 제3 도전 패턴(109c')에 x 방향으로 연결되어 있고, 제2 PIN 다이오드(111b)는 제3 도전 패턴(109c')에 y 방향으로 연결되어 있다. 제1 PIN 다이오드(111a)는 제3 도전 패턴(109c')과 x 방향으로 인접한 다른 단위 셀의 제3 도전 패턴(109c')을 전기적으로 연결할 수 있다. 제2 PIN 다이오드(111b)는 제3 도전 패턴(109c')과 y 방향으로 인접한 또 다른 단위 셀의 제3 도전 패턴(109c')을 전기적으로 연결할 수 있다.
제1 PIN 다이오드(111a)를 온(on) 시키면, 제3 도전층(109c)은 제2 도전층(109b)을 투과한 전파를 y 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시킬 수 있다. 제2 PIN 다이오드(111b)를 온(on) 시키면, 제3 도전층(109c)은 제2 도전층(109b)을 투과한 전파를 x 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시킬 수 있다. 제1 PIN 다이오드(111a)와 제2 PIN 다이오드(111b)가 모두 오프(off) 상태인 경우, 제3 도전층(109c)은 제2 도전층(109b)을 투과한 전파를 x 방향으로부터 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 부분 반사 표면에서 전파의 편파를 변환시키는 원리를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 부분 반사 표면(105)은 주파수에 따라 특성이 변화하며 편파 변환이 가능하다. 방사체(100)로부터 부분 반사 표면(105)으로 입사하는 입사파(110a)는 x 방향으로 편파된 전파(Ex)이다. 입사파(110a)의 편파 방향이 제1 도전층(109a)의 제1 도전 패턴(109a')의 연장 방향과 수직하므로 입사파(110a)는 제1 도전층(109a)을 투과한다. 입사파(110a)의 일부는 제1 도전 패턴(109a')에 의해 반사될 수 있다. 접지면(103)과 부분 반사 표면(105)의 제1 도전층(109a) 사이에는 x 방향으로 편파된 전파(Ex)만이 존재하며, 이 전파(Ex)들이 접지면(103)과 부분 반사 표면(105)의 제1 도전층(109a) 사이에서 다중 반사하여 고이득 빔을 형성할 수 있다.
제1 도전층(109a)을 투과한 x 편파된 전파(Ex)는 +45도와 -45도 방향으로 편파된 전기장의 합이라 할 수 있다. 제1 도전층(109a)을 투과한 x 편파된 전파(Ex) 중에서 +45도 방향으로 편파된 전기장(E45°)(110b)은 제2 도전층(109b)을 투과할 수 있다. 제1 도전층(109a)을 투과한 x 편파된 전파(Ex) 중에서 -45도 방향으로 편파된 전기장(E-45°)(110d)은 제2 도전층(109b)에서 반사된다.
제2 도전층(109b)을 투과한 +45도 방향으로 편파된 전기장(110b)은 x 방향과 y 방향으로 편파된 전기장의 합이라 할 수 있다. 제2 도전층(109b)을 투과한 +45도 방향으로 편파된 전기장(110b) 중에서 y 방향으로 편파된 전기장(전파)(Ey)(110c)은 제3 도전층(109c)을 투과할 수 있다. 제2 도전층(109b)을 투과한 +45도 방향으로 편파된 전기장(110b)은 중에서 x 방향으로 편파된 전기장(전파)(Ex)은 제3 도전층(109c)에서 반사될 수 있다.
제2 도전층(109b)과 제3 도전층(109c)에서 반사된 성분들은 앞서 언급된 다중 반사 및 투과 과정을 거쳐, 최종적으로는 y 방향으로 편파된 전기장(110c)이 부분 반사 표면(105)을 투과하게 된다.
이때, 도 4 내지 7에서 상술한 바와 같이, 제1 PIN 다이오드(111a)와 제2 PIN 다이오드(111b)의 온/오프를 제어하여 부분 반사 표면(105)을 투과하는 전파를 y 방향으로 편파된 전파, x 방향으로 편파된 전파, 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환할 수 있다.
이하, 도 9 내지 11을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나 및 그 구동 방법에 대하여 설명한다.
도 9 및 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나를 나타내는 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나의 구동부를 나타내는 도면이다.
도 9 내지 11을 참조하면, 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나(115)는 방사체(100)와 방사체(100) 위에 위치하는 부분 반사 표면(105)을 포함한다. 부분 반사 표면(105)은 순서대로 적층된 제1 도전 패턴(109a'), 제2 도전 패턴(109b') 및 제3 도전 패턴(109c')을 포함할 수 있다. 방사체(100)는 접지면(103), 접지면(103) 상에 위치하는 방사부(102) 및 접지면(103)과 방사부(102)를 전기적으로 연결하는 동축선(104)을 포함할 수 있다.
부분 반사 표면(105)에서 제3 도전 패턴(109c')은 제2 도전 패턴(109b')과 서로 다른 유전체 기판 상에 형성되어 일정 거리(h1) 이격되어 배치되고, 방사체(100)는 부분 반사 표면(105)과 일정 거리(h2) 이격되어 배치되도록 고정될 수 있도록 방사체(100)와 부분 반사 표면(105)은 프레임으로 고정될 수 있다.
도 11에 예시한 바와 같이, 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나(115)는 평면상에서 x 방향(행 방향) 및 y 방향(열 방향)으로 배열되는 복수의 제3 도전 패턴(109c')을 포함할 수 있다. 하나의 제3 도전 패턴(109c')은 하나의 단위 셀에 대응될 수 있다. x 방향으로 배열된 제3 도전 패턴(109c') 사이에는 도 7에서 예시한 바와 같이 제1 PIN 다이오드(111a)가 연결되어 있다. y 방향으로 배열된 제3 도전 패턴(109c') 사이에는 도 7에서 예시한 바와 같이 제2 PIN 다이오드(111b)가 연결되어 있다.
복수의 제3 도전 패턴(109c')이 배열된 단위 셀 어레이 가장자리에 4개의 제어 전압 버스(116a, 116b, 116c, 116d)가 배치될 수 있다. 4개의 제어 전압 버스(116a, 116b, 116c, 116d)는 복수의 제3 도전 패턴(109c')이 배열된 단위 셀 어레이의 사면에 하나씩 배치될 수 있다.
제1 제어 전압 버스(116a)와 제2 제어 전압 버스(116b) 사이에서 복수의 제3 도전 패턴(109c')이 y 방향으로 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 제3 제어 전압 버스(116c)와 제4 제어 전압 버스(116d) 사이에서 복수의 제3 도전 패턴(109c')이 x 방향으로 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 제어 전압 버스(116a)와 제3 제어 전압 버스(116c)에는 제어부(114)로부터 양의 바이어스 전압(제어 전압)이 인가되고, 제2 제어 전압 버스(116b)와 제4 제어 전압 버스(116d)에는 제어부(114)로부터 음의 바이어스 전압(제어 전압)이 인가될 수 있다. 제어부(114)는 직류 전력 공급기(DC power supply)를 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 PIN 다이오드(111a, 111b)의 온/오프 제어를 위한 제어 전압의 공급을 제어할 수 있다.
이때, 4개의 제어 전압 버스(116a, 116b, 116c, 116d) 각각과 직접 연결되는 제3 도전 패턴(109c') 사이에는 인덕터(112)와 저항(113)이 연결될 수 있다. 인덕터(112)는 제어 전압 버스(116a, 116b, 116c, 116d)에 유도되는 교류 전류로 인한 전파의 방사를 방지할 수 있다. 저항(113)은 제1 및 제2 PIN 다이오드(111a, 111b)에 인가되는 전압의 크기를 조절하고 제1 및 제2 PIN 다이오드(111a, 111b)에 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
동일한 행에 위치한 제1 PIN 다이오드(111a)들은 직렬로 연결되어 있으므로, 행 방향으로 인가된 제어 전압은 행 방향으로 설치된 제1 PIN 다이오드(111a)들에 일정한 크기로 분배될 수 있다. 행 방향으로 전압을 인가할 때, 행 방향으로 설치된 제1 PIN 다이오드(111a)에서 같은 열에 위치한 제1 PIN 다이오드(111a)는 병렬로 연결되어 있으므로 같은 열에 위치한 행 방향으로 설치된 제1 PIN 다이오드(111a)에는 같은 크기의 전압이 인가되며, 열 방향으로 설치된 제2 PIN 다이오드(111b)에는 전압이 인가되지 않는다.
그리고 동일한 열에 위치한 제2 PIN 다이오드(111b)들은 직렬로 연결되어 있으므로, 열 방향으로 인가된 제어 전압은 열 방향으로 설치된 제2 PIN 다이오드(111b)들에 일정한 크기로 분배될 수 있다. 열 방향으로 전압을 인가할 때, 열 방향으로 설치된 제2 PIN 다이오드(111b)에서 같은 행에 위치한 제2 PIN 다이오드(111b)는 병렬로 연결되어 있으므로 같은 행에 위치한 열 방향으로 설치된 제2 PIN 다이오드(111b)에 같은 크기의 전압이 인가되며, 행 방향으로 설치된 제1 PIN 다이오드(111a)에는 전압이 인가되지 않는다.
이하, 도 12 내지 14를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나(115)가 방사하는 전파의 편파 방향 별 임피던스 정합 특성에 대한 시뮬레이션 결과에 대하여 설명한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x 방향으로 편파된 전파를 방사할 때의 주파수에 따른 임피던스 정합 특성을 나타내는 그래프이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x축에서 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파를 방사할 때의 주파수에 따른 임피던스 정합 특성을 나타내는 그래프이다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 y 방향으로 편파된 전파를 방사할 때의 주파수에 따른 임피던스 정합 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12 내지 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나(115)가 방사하는 전파의 편파 방향 별 임피던스 정합 특성이 일정한 것을 확인할 수 있다. 이는 부분 반사 표면(105)이 편파 변환 각도 별로 반사 위상 및 반사 크기가 일정하도록 설계되었기 때문이다.
이하, 도 15 내지 20을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나(115)가 방사하는 전파의 편파 방향 별 안테나 이득에 대하여 설명한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 E 평면으로 도시한 그래프이다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 H 평면으로 도시한 그래프이다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x축에서 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 E 평면으로 도시한 그래프이다. 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 x축에서 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 H 평면으로 도시한 그래프이다. 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나가 y 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 E 평면으로 도시한 그래프이다. 도 20은 y 방향으로 편파된 전파를 방사할 때 안테나 이득을 5 GHz에서 H 평면으로 도시한 그래프이다.
도 15 내지 20을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나(115)가 방사하는 전파의 편파 방향 별 안테나 동일 편파 이득(co-pol)이 높고 일정한 것을 확인할 수 있다. 이는 부분 반사 표면(105)이 편파 변환 각도 별로 반사 위상 및 반사 크기가 일정하도록 설계되었기 때문이다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 방사체 101: 제1 유전체 기판
102: 방사부 103: 접지면
104: 동축선 105: 부분 반사 표면
108a: 제2 유전체 기판 108b: 제2 유전체 기판
109a: 제1 도전층 109b: 제2 도전층
109c: 제3 도전층 111a: 제1 PIN 다이오드
111b: 제2 PIN 다이오드 112: 인덕터
113: 저항 114: 제어부
115: 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나
116a, 116b, 116c, 116d: 제어 전압 버스

Claims (15)

  1. 제1 방향으로 편파된 전파를 방사하는 방사체; 및
    상기 방사체와 일정 거리 이격되어 배치되어 상기 방사체로부터 진행되어 오는 전파를 부분적으로 투과 및 반사하는 부분 반사 표면을 포함하고,
    상기 부분 반사 표면은,
    상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장된 복수의 라인 형태의 제1 도전 패턴을 포함하는 제1 도전층;
    상기 제2 방향에서 평면상으로 -45도 기울어진 슬릿을 형성하는 제2 도전 패턴을 포함하는 제2 도전층; 및
    단위 셀에 대응하는 제3 도전 패턴, 상기 제3 도전 패턴에 상기 제1 방향으로 연결되어 있는 제1 PIN 다이오드 및 상기 제3 도전 패턴에 상기 제2 방향으로 연결되어 있는 제2 PIN 다이오드를 포함하는 제3 도전층을 포함하는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 방사체는,
    제1 유전체 기판;
    상기 제1 유전체 기판 위에 배치되는 방사부;
    상기 제1 유전체 기판의 아래에 배치되는 접지면; 및
    상기 제1 유전체 기판을 관통하여 상기 방사부와 상기 접지면을 전기적으로 연결시키는 동축선을 포함하는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 방사부는 상기 제1 유전체 기판보다 작은 크기를 가지며 상기 제1 유전체 기판의 중앙에 배치되는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전층은 상기 방사체로부터 방사되는 상기 제1 방향으로 편파된 전파만을 투과시키는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 방사체와 상기 제1 도전층 사이에는 상기 제1 방향으로 편파된 전파만이 존재하여 다중 반사하여 고이득 빔을 형성하는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 도전층은 상기 제1 도전층을 투과한 전파를 상기 제1 방향으로부터 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시키는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 도전층은 상기 제1 도전층을 투과한 전파를 상기 제1 방향으로부터 음의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환하여 반사시키는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 PIN 다이오드는 상기 제3 도전 패턴을 상기 제1 방향으로 인접한 다른 단위 셀의 제3 도전 패턴에 전기적으로 연결시키고,
    상기 제2 PIN 다이오드는 상기 제3 도전 패턴을 상기 제2 방향으로 인접한 또 다른 단위 셀의 제3 도전 패턴에 전기적으로 연결시키는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 PIN 다이오드를 온 시키면 상기 제3 도전층은 상기 제2 도전층을 투과한 전파를 상기 제2 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시키는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 PIN 다이오드를 온 시키면 상기 제3 도전층은 상기 제2 도전층을 투과한 전파를 상기 제1 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시키는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 PIN 다이오드와 상기 제2 PIN 다이오드가 모두 오프 상태인 경우, 상기 제3 도전층은 상기 제2 도전층을 투과한 전파를 상기 제1 방향으로부터 양의 방향으로 45도 방향으로 편파된 전파로 변환하여 투과시키는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 부분 반사 표면은,
    상기 제1 도전층과 상기 제2 도전층이 형성되는 제2 유전체 기판; 및
    상기 제3 도전층이 형성되는 제3 유전체 기판을 더 포함하는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 도전층은 상기 방사체를 마주보는 면인 상기 제2 유전체 기판의 아랫면에 형성되고, 상기 제2 도전층은 상기 제2 유전체 기판의 윗면에 형성되고, 상기 제3 도전층은 상기 제3 유전체 기판의 윗면에 형성되는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 유전체 기판과 상기 제3 유전체 기판은 일정 거리 이격되어 있는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 도전 패턴이 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 배열된 단위 셀 어레이 가장자리에 배치되어 상기 제1 PIN 다이오드 또는 상기 제2 PIN 다이오드의 온/오프 제어를 위한 제어 전압이 인가되는 제어 전압 버스;
    상기 제어 전압 버스와 상기 제3 도전 패턴 사이에 연결되어 상기 제어 전압 버스에 유도되는 교류 전류로 인한 전파의 방사를 방지하는 인덕터; 및
    상기 제어 전압 버스와 상기 제3 도전 패턴 사이에 연결되어 상기 제1 PIN 다이오드 또는 상기 제2 PIN 다이오드에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 저항을 더 포함하는 부분 반사 표면 기반 편파 변환 고이득 안테나.
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